Время реакции цемента с водой

Важная величина: как узнать время схватывания бетона

Бетон – один из наиболее применяемых в современном строительстве материалов благодаря прочности, доступности, разнообразию видов и методов обработки.

Замешанное из цемента и воды с добавлением заполнителей «тесто» может принимать любую заданную форму и, в результате твердения, образовывать прочный, долговечный материал – цементный камень.

Стадии набора прочности бетона

Как происходит превращение подвижного раствора в твердое вещество?

Чтобы понимать этот процесс, нужно представлять состав бетона.

Главным компонентом бетонной смеси является портландцемент. Это вяжущее составляющее, в основе которого 4 минерала:

C2S двухкальциевый силикат,

C3S трёхкальциевый силикат,

C3A трёхкальциевый алюминат,

C4AF четырёхкальциевый алюмоферрит.

Для приготовления бетонной смеси портландцемент смешивается с водой и заполнителями (шлак, гравий, щебень, песок). Иногда в смесь добавляются те или иные присадки, в зависимости от желаемых свойств бетона.

Минералы, входящие в состав цементного клинкера, при смачивании водой вступают в реакцию гидратации, в процессе которой образуются новые соединения, и бетон образует кристаллическую структуру.

Таким образом, твердение бетона – это кристаллохимический процесс.

В твердении бетона выделяют две стадии:

Бетон начинает схватываться уже через 2 часа, а через 60 минут после начала процесса он уже схватится. Пока бетон не схватился, его подвижность сохраняется.

Иногда, при невозможности немедленно заняться укладкой бетона, смесь слишком долго перемешивают, чтобы она не схватывалась. Это влияет на качество бетона не лучшим образом.

После того, как бетон схватился, начинается процесс твердения.

Сколько времени требуется на застывание

Полное отвердевание бетона может продолжаться многие месяцы, но во время строительных работ нужны определенные ориентиры, которых можно придерживаться.

Преждевременная нагрузка на бетон ную конструкцию может разрушить не набравший достаточной прочности бетон , а передерживание бетона в опалубке удорожает строительные работы и увеличивает продолжительность строительства.

Расчетной прочностью бетона называют ту прочность, которую бетон определенного класса достигает при нормальных условиях через 28 дней.

Срок твердения бетона без добавок

Как быстро бетон наберет прочность, зависит от многих факторов. В нормальных условиях скорость отвердевания бетона без добавок зависит от класса бетона.

В быту до сих пор встречается словосочетание «марка бетона». Оно ошибочно: по маркам классифицируется цемент, а бетон подразделяется на классы.

Таблица 1. Старая и новая маркировка бетона

Факторы, влияющие на твердение цементного раствора

Срок застывания бетона зависит от различных факторов:

качества исходных материалов;

температуры и влажности воздуха;

обработки бетона (утрамбовывание, виброобработка);

ухода за бетоном;

использования специальных добавок.

Согласно ГОСТ, нормальными условиями твердения бетона являются:

температура воздуха 18–22°С;

относительная влажность воздуха 100%.

При изменении температуры меняется и скорость затвердевания бетона. При повышении температуры в диапазоне 0°С – 100°С каждые 10°С повышения температуры увеличивают скорость протекающих процессов в 2–4 раза.

График твердения бетона при разных температурах

Когда температура становится выше, схватывание и отвердение бетона ускоряются; при понижении температуры – замедляются. При температуре ниже 5° С процесс набора прочности резко замедляется, а при отрицательных температурах прекращается.

Уменьшение влажности воздуха замедляет процесс застывания, поскольку бетон быстрее сохнет, и воды становится недостаточно для гидратации.

Способы регулирования скорости отвердевания бетона

В зависимости от задач, может потребоваться увеличить или снизить скорость твердения бетона. Можно повлиять на процессы температурно или химически.

Ускорение твердения

Для увеличения скорости твердения, применяют:

снижение водоцементного соотношения (повышение жесткости смеси, что снижает удобоукладываемость);

добавление в бетон специальных добавок-ускорителей.

Замедление твердения

Когда может понадобиться замедление отвердевания:

при изготовлении высокомарочных смесей, которые застывают очень быстро из-за повышенного содержания вяжущего компонента;

при необходимости транспортировки готовой смеси на дальние расстояния;

при заливке бетона в несколько этапов.

В этих случаях применяют специальные добавки, которые замедляют реакцию гидратации и гидролиза минералов клинкера, откладывая процесс схватывания на несколько часов.

Как узнать точное время затвердевания бетона?

Сроки полного отвердевания разных видов бетона варьируются в зависимости от состава. Примерное представление о продолжительности процессов твердения бетона с использованием марок цемента М200, М250, М300, М400, М500 и так далее, можно узнать из статей, графиков, специальных таблиц.

Таблица 2. Время застывания бетона на портландцементе М400, М500

Для того чтобы точно узнать, сколько времени понадобится, чтобы получить расчетную прочность бетона, используются два метода:

Узнать точные данные в лаборатории производителя.

Вызвать технолога на объект для взятия проб. Для образцов используют кубические отливки со стороной 10 см, которые должны твердеть в тех же условиях, что и основная конструкция. Затем проводятся испытания разрушающими методами, которые точно показывают марочную прочность бетона и сроки его схватывания и полного отвердевания.

Время застывания бетона в опалубке

Своевременная распалубка бетона повышает оборачиваемость оборудования для опалубки и оптимизирует сроки строительства.

Распалубочной прочностью называют прочность, достаточную, чтобы снять опалубку и дать стартовую нагрузку. Обычно она составляет 70% от расчетной прочности (или другую величину, оговоренную в проектной документации).

Для не ответственных конструкций, например, стяжек, отмостк и и других конструкций , работающих только на сжатие, допустима распалубка на 3–5-й день, по достижении прочности 30–40% от расчетной.

Современные бетоны с добавками могут достигать распалубочной прочности за 1–2 дня.

Сколько времени бетон застывает в воде

Твердение в воде – лучшие условия для набора прочности бетона. Непрерывное выдерживание в воде способствует более интенсивному увеличению модуля упругости, чем твердение на воздухе.

При выдерживании бетона на воздухе, на его поверхности, в результате обезвоживания, прекращается реакция гидратации, и образуются ячейки и поры; застывший на воздухе цементный камень имеет больше дефектов структуры, меньшую плотность и более высокую подверженность коррозии.

Уход за бетоном после заливки

Уход за бетоном имеет цель создать такие условия твердения, при соблюдении которых бетон будет набирать заданную прочность с нужной скоростью, а его структура будет максимально качественной.

Для оптимизации процесса отвердевания решающее значение имеет обеспечение правильной температуры и высокой влажности.

После укладки бетонной смеси и ее уплотнения (если таковое производилось), проводятся специальные мероприятия по уходу за бетоном.

Защита от испарения влаги

Отвердевание бетона внешне похоже на высыхание, но на самом деле, это реакция, которая происходит с обязательным участием воды. При застывании бетона на воздухе, его поверхность быстро высыхает, и реакция гидратации прекращается. Образуется разность давления в толще бетона и на его поверхности, что приводит к появлению дефектов в виде трещин .

Для защиты от пересыхания поверхность бетона закрывают водонепроницаемыми материалами, такими, как пленка, брезент, в некоторых случаях, слой опилок или песка, который постоянно смачивают.

Обеспечение равномерной температуры

При заливке массивных конструкций (например, плит фундамента) возникает еще одна проблема – температурный градиент.

Реакции гидратации происходят с выделением тепла. В массивных конструкциях возникает разница между температурами в толще бетона и на его поверхности. В толще слоя бетона температура может достигать 50–80°С. Если разница с температурой поверхности превышает 20–30°С, может произойти разрыв структуры бетона, что влечет интенсивное образование трещин на внешней стороне конструкции и потерю прочности.

Чтобы предотвратить градиент температур, необходимо снизить температуру всей конструкции. Для этого, после укрытия паро- или водонепроницаемым материалом, на поверхность бетона льют холодную воду, меняя ее после нагрева.

Снижение температуры не должно быть резким. Допускается снижать ее на 1–2° С в час, а для некоторых типов конструкций не более, чем на 12–13°С в сутки (эта информация указывается в регламенте).

Для проведения этих мероприятий необходимо знать точную температуру в толще бетона; по регламенту, ее необходимо измерять в первые сутки каждые 1–2 часа, а затем 1 раз в 8 часов и фиксировать полученные данные в специальных журналах . Для того, чтобы иметь возможность измерять температуру, при заливке в бетон вставляют трубочки на расстоянии не более 8 м друг от друга.

Защита от охлаждения

В зимнее время возникает задача сохранить тепло в бетоне , поскольку при температуре ниже плюс 5 ° С затвердевание прекращается. Главной задачей становится обеспечение твердения до приобретения бетоном критической прочности.

Критической прочностью называют прочность в зимнее время, по достижении которой замерзание воды в порах бетона уже не носит разрушающий характер (обычно 30-50% от расчетной прочности).

Используются разные методы сохранения тепла:

Прогрев электродами или инфракрасным излучением (последнее технологически сложно).

Установка тепляков с прогретым воздухом.

Использование сохраненного тепла реакции гидратации («тепловой осмос» или «метод термоса), для которого поверхность бетона укрывают теплоизоляционными материалами, такими, как минераловатные плиты, рулонные материалы в несколько слоев.

Противоморозные добавки. Если раньше использовался хлорид кальция, сейчас его применение, как и других хлоридов, не рекомендуется из-за агрессивного воздействия на арматуру. Чаще используют формиат кальция или натрия и другие соли-электролиты, снижающие температуру замерзания воды либо готовые комплексные добавки, обладающие не только противоморозным, но и пластифицирующим действием.

Применение добавок-ускорителей совместно с тепловой обработкой. В этом случае добавки нужны для быстрого достижения критической прочности, затем, при помощи согревающих или сохраняющих тепло мероприятий, обеспечивается оптимальная температура до достижения расчетной прочности бетона.

Надо ли поливать бетон водой?

Поскольку водная среда оптимальна для завердевания, полив бетона водой целесообразен, но только в летнее время, особенно, в жаркую погоду. Интенсивное обеспечение влажности позволяет снизить вероятность появления дефектов.

Набор прочности бетона – сложный химический процесс, который зависит от множества факторов. Для оптимизации строительных работ используются методы тепловлажностной обработки бетона. Современное решение – использование специальных добавок, регулирующих скорость отвердевания.

Источник

Твердение цемента

Цемент – популярный строительный материал, получаемый искусственным путем. Он представляет собой мелкодисперсный порошок, который при взаимодействии с водой превращается в пластичную массу, способную затвердевать даже в условиях высокой влажности. Физико-химический процесс взаимодействия цемента с водой называется гидратацией. В результате его протекания растворы и смеси, изготовленные на базе цементного вяжущего, после твердения приобретают высокую прочность, водонепроницаемость, устойчивость к температурным перепадам.

Гидратация цемента – особенности процесса

Гидратация – это необратимый процесс, при котором молекулы воды соединяются с молекулами минералов, входящих в состав цемента. В результате таких взаимодействий образуется пластичная масса, которая после затвердевания преобразуется в камнеподобное твердое тело.

В нормативной документации указываются допустимые водоцементные соотношения, которые зависят от применяемой марки цемента и требуемых характеристик получаемых продуктов. При достаточном количестве химически связывается примерно 25 % воды, остальная жидкость переходит в физически связанное состояние. Введение в материал воды в количестве меньше допустимого приводит к неполной гидратации, а больше допустимого – к образованию пор. В обоих случаях прочностные характеристики конструкции снижаются.

Основные стадии гидратации

Первая стадия гидратации цементного вяжущего – схватывание, протекающее в первые часы после затворения сухих компонентов водой. Время начала схватывания и скорость протекания этого процесса определяют следующие факторы:

• Температура окружающей среды. Чем она выше, тем быстрее протекает процесс. При комнатной температуре он длится до трех часов, при высоких температурах, созданных в камерах пропаривания, – до 20 минут. При 0 °C схватывание может занять до 20 часов.
• Состав вяжущего – номенклатура и соотношение минеральных компонентов, применяемые добавки. По ГОСТу 30515-2013 выделяют по скорости схватывания при стандартных условиях (+20 °C, относительная влажность – 75 %) три категории цементов: медленно схватывающиеся (начало процесса – через 2 часа после затворения), нормально схватывающиеся (начало схватывания – от 45 минут до 2 часов после затворения), быстро схватывающиеся (начало схватывания – до 45 минут после затворения цемента водой).
• Тонкость помола – чем порошок мельче, тем быстрее происходит схватывание.

Ненадолго отложить начало схватывания позволяет перемешивание пластичного материала. В вязком продукте даже при перемешивании через определенное время начинаются необратимые процессы, которые негативно влияют на прочность отвердевшего элемента. Строители называют такое явление «свариванием бетона». Скорость схватывания и последующего твердения можно изменить введением в состав раствора или бетона пластификаторов и других добавок.

Следующий после схватывания более длительный этап – твердение цемента. Этот процесс, который обычно начинается в течение суток после начала гидратации, может протекать в течение нескольких лет. В течение первых 7 дней созданная конструкция приобретает примерно 70 % прочности. Через 28 дней после заливки раствор или смесь набирают марочную прочность. Она составляет примерно 90-95 % от максимального показателя, для достижения которого требуется несколько лет.

Для получения качественного конечного продукта обеспечивают нормальные условия твердения цемента. Для этого необходимо:

1. Оградить конструкцию от малейших механических воздействий, поскольку связи, созданные на начальных этапах гидратации, – непрочные. Они легко разрушаются и восстановлению не подлежат.
2. Первые 2-3 недели для нормального протекания в гидратации создавать влажную среду и оберегать конструкцию от прямого воздействия солнечных лучей.
3. Не допускать резких перепадов температуры. Для этого конструкцию засыпают небольшим слоем песка или опилок, укрывают утепляющими матами.

Такие меры, принятые во время твердения цемента, позволят снизить усадку конструкции, избежать появления трещин и деформаций.

Зависимость процесса гидратации от химического состава цемента

Механизмы схватывания и твердения цемента зависят от номенклатуры и процентного соотношения компонентов вяжущего. Некоторые из них начинают взаимодействовать с водой на начальной стадии гидратации, другие – через определенный промежуток времени.

В состав портландцемента входят:

• C2S – двухкальциевый силикат. Этот компонент вступает в реакцию с водой не сразу, а примерно через месяц после набора продуктом марочной прочности. Он положительно влияет на прочностные показатели бетона в долгосрочной перспективе. Применение пластификаторов ускоряет вступление двухкальциевого силиката в реакцию твердения цемента.
• C3S – трехкальциевый силикат. Этот компонент участвует во взаимодействии с водой с самого начала приготовления смеси или раствора и в течение всего периода гидратации. Но наибольший вклад он вносит в период набора марочной прочности материала.
• C3A – трехкальциевый алюминат. Способствует нарастанию прочности материала в первые дни твердения. В более поздний период он перестает работать.
• C4AF – четырехкальциевый алюмоферит. Вступает в действие уже в ходе твердения. Улучшает характеристики бетона на самых поздних сроках набора прочности.

Как можно ускорить или замедлить схватывание и твердение цемента

При проведении строительных работ часто возникают ситуации, требующие сокращения времени схватывания и твердения цемента, решить эту проблему позволяет применение специальных добавок. Они понадобятся при проведении бетонирования в зимних условиях или при необходимости увеличить темпы строительства.

Наиболее популярные присадки-ускорители твердения цемента:

• 4 %-е нитрат кальция или нитрат натрия, нитрит-нитрат кальция или хлорида кальция, нитрит-нитрат сульфата натрия;
• 2 %-й сульфат натрия;
• 2 %-й хлорид кальция – используется для армированных конструкций;
• 3 %-й хлорид кальция – предназначен для неармированных бетонных элементов.

Замедлители гидратации цемента используются в основном при возведении масштабных конструкций – крупноразмерных фундаментов, чаш бассейнов, гидротехнических и подземных объектов.

Функции замедлителей выполняют пластификаторы и гиперпластификаторы. Применение таких добавок позволяет сохранить подвижность бетонных растворов и их рабочие характеристики в течение 24-48 часов после затворения вяжущего водой.

Гидратация цемента – важный процесс, который должен протекать с соблюдением правил, установленных государственными нормативами и проектной документацией для конкретного строительного объекта. Благодаря разработке широко спектра добавок стало возможным регулирование в широких пределах начала и скорости схватывания пластичного материала, его подвижности, прочности на разных стадиях твердения, коррозионной стойкости и других характеристик.

• Строитель с 20-летним стажем
• Эксперт завода «Молодой Ударник»

В 1998 году окончил СПбГПУ, учился на кафедре гражданского строительства и прикладной экологии.

Занимается разработкой и внедрением мероприятий по предупреждению выпуска низкокачественной продукции.

Разрабатывает предложения по совершенствованию производства бетона и строительных растворов.

Источник